(57)【要約】【課題】  描画速度が速く、スループットの大きい走査型プローブ装置を提供すること。【解決手段】  走査型プローブ顕微鏡において、複数のプローブがそれぞれ第一の移動手段に載置されているマルチプローブヘッドを有し、複数の該マルチプローブヘッドが第二の移動手段上に載置されており、被測定試料の保持手段は第三の移動手段を有する構成とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型プローブ顕微鏡であって、複数のプローブがそれぞれ第一の移動手段に載置されているマルチプローブヘッドを有し、複数の該マルチプローブヘッドが第二の移動手段上に載置されており、被測定試料の保持手段は第三の移動手段を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記第一、第二、第三の移動手段は、それぞれ直交した三軸方向とその三軸回りに回転方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
各マルチプローブヘッドが対向する位置に偶数配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
プローブを基板に近接させパターンを描画する描画装置であって、複数のプローブがそれぞれ第一の移動手段に載置されているマルチプローブヘッドを有し、複数の該マルチプローブヘッドが第二の移動手段上に載置されており、前記基板を保持する基板保持手段は第三の移動手段を有することを特徴とする描画装置。
【請求項５】
請求項４の描画装置を使用した描画方法であって、同一基板上に離散的に前記マルチプローブヘッドを位置決めした後、前記第三の移動手段によって、基板を移動させながら、描画を行うことを特徴とする描画方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に走査型プローブ装置に関し、特に走査型プローブ顕微鏡および描画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造技術は、ムーアの法則に従って、一年半に半導体素子の集積度が二倍になるというペースで微細化が進んでいる。それに伴って、半導体の検査技術も年々進歩することが求められている。半導体製造プロセスにおける計測は、欠陥検査、パーティクル検査、ＣＤ検査、オーバーレイ検査などである。
【０００３】
ＩＴＲＳのロードマップによれば、半導体デバイスが微細化するに従って、検出すべき対象は小さくなり、より高精度、高分解能の検出技術が要求されてきている。また、近い将来においては、従来の微細化のアプローチだけでは実デバイスを実現することが困難になり、新しい構造、新しい材料が用いられることになると言われている。つまり、計測精度、分解能の向上だけでなく、新しい構造、新しい材料に対しても高精度に計測することが求められている。
【０００４】
また、従来の半導体製造においては、計測技術は、試験的に作成されたデバイス構造などを計測することが主であったが、半導体製造の業界では、プロセス開発の短期化を目指す中で、実際に製造中の製品を計測するという需要が高まっている。従来は、計測機器に対して、計測時間に対する要求はあまり強くなかったが、今後は半導体製造プロセスの中で生産効率を落とさないために、より短時間で計測を行いたいという要求が高まってくると思われる。また、プロセスへの計測結果のフィードバックをいち早く行うために、他のプロセス機器とオンラインで結合され、生産ラインの中で計測を行うインライン計測や、プロセス機器内に計測機器を組み込んだインサイチュ計測に対する需要、要求が高まってくると思われる。
【０００５】
半導体プロセスの計測の中で、ＣＤ計測は、現在１３０ｎｍプロセスにおいては、ＣＤ−ＳＥＭが用いられている。しかし、この技術は、計測精度がすでに限界に近に達しており、将来６５ｎｍ世代に適用できるか不透明な状況である。さらに、今後の半導体プロセスにおいて、ＣＤ計測は、線幅計測だけではなく、レジスト像の三次元形状の計測や、高アスペクト比の構造を計測することが求められる。現在のＳＥＭの垂直分解能は１０ｎｍ程度であり、三次元形状を精度よく計測することは困難である。
【０００６】
そこで、ＣＤ計測において、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を適用するという提案がなされている。走査プローブ顕微鏡とは、先端の非常にとがった細いプローブを資料表面に近づけ、そのときに流れるトンネル電流や、分子間力を検出することによって、三次元的な形状や物理量を計測するものである。ＳＰＭの分解能は、水平方向が０．１ｎｍ、垂直方向が０．０１ｎｍと従来のＳＥＭに比べて格段に良い。形状計測をするためのＳＰＭの代表的な手段としては、ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）とＡＦＭ（原子間力顕微鏡）がある。トンネル顕微鏡は、試料表面とのプローブ間のトンネル電流を検出することによって計測を行う。原子間力顕微鏡は、試料とプローブとの間に発生する微小な力を検出することによって、形状計測を行うものである。計測環境を真空雰囲気にする必要があったＳＥＭに対して、ＳＰＭは大気中での計測が可能であるという利点もある。
【０００７】
本発明に関連するＡＦＭについてさらに説明を行う。ＡＦＭ技術は、１９８６年にＢｉｎｎｉｎｇらによって発明された技術で、片持ち梁の先端に探針を取り付け、先端を試料に近づけた時に、梁に発生する力を梁のたわみを検出することで検出するものである。たわみ量の検出は、梁の反対側にレーザー光を照射し、反射したビームの位置を分割センサで読み取る方法や、静電容量センサで変位を検出する方法などがある。
【０００８】
図７に原理を説明する図を示した。１０１はプローブであり、先端は曲率半径１０ｎｍ程度に細くとがったものである。１０２は、先端部にプローブが配置された片持ち梁であり一般にカンチレバーと呼ばれる。カンチレバーのもう一方の端は、装置に固定されている。カンチレバーを単振動させ、振幅の変化量から形状計測するために、ピエゾ素子による加振機能を有しているものもある。
【０００９】
１０３は、計測を行う試料である。試料１０３は、スキャンステージ１０４上に配置される。スキャンステージは、図に示したように３軸方向に試料を移動可能である。ＸＹ方向は、試料表面の水平位置分解能に、Ｚ方向は、試料垂直方向の位置分解能に寄与する。そのため、ステージの位置精度は非常に高いものが要求され、一般にピエゾ素子と弾性ばね構造のステージ構成が採用されている。ピエゾ素子での駆動では、ストロークが限られているため、試料全体を計測するためには、試料の移動が必要となるため、試料移動用のステージが配置されているものもある。１０５はカンチレバー１０２のたわみ量を計測するためのレーザーを発生するレーザー光源であり、細く絞ったレーザー光をカンチレバーのプローブの反対側に照射している。カンチレバーから反射したレーザー光は、ディテクタ１０６で位置を検知し、レーザー光の入射位置からカンチレバーのたわみ量を検出する構成となっている。
【００１０】
ＡＦＭ技術を半導体プロセスの開発に適用した装置もすでに開発され、実用に供されている。半導体プロセスに適用する場合は、試料が小さな断片ではなく、直径３００ｍｍのシリコンウエハであること、計測範囲はウエハ表面全体となるため、上記の構成ではなく、カンチレバー側が走査する構成となっている場合もある。
【００１１】
半導体プロセスにＳＰＭを適用する場合、半導体工場全体のスループットを落とさないようにするために、より短時間で計測を行うことが要求される。そのため、ＡＦＭのプローブを複数配置し、同時に複数のプローブで複数の位置で計測を行うことで、計測速度の向上を図る提案がされている（特許文献１参照。）。
【００１２】
図８に複数のプローブを有するＳＴＭの装置構成例を示す。２０２はカンチレバーを同一プロセスで複数形成したもので、各カンチレバーの先端には、プローブ２０１が搭載されている。２０４と２０５は、スキャンステージであり、試料２０３表面の形状計測を行う。試料表面を多点同時に走査することによって、計測速度の向上を図っている。
【００１３】
また、複数のプローブを有する走査型顕微鏡の例としては、別々の独立したステージにそれぞれ圧痕形成用プローブと計測用プローブを配置した走査顕微鏡がある（例えば、特許文献２参照。）。この例では、試料は固定されており、２つのプローブがそれぞれ試料の同じ位置へ移動を可能とするために、独立のステージを配しているものである。
【００１４】
次に、走査型顕微鏡を用いたパターン描画について説明する。レジストを塗布したウエハにプローブを接近させ、トンネル電流を流し、その電子でレジストを感光して、レジストパターンを形成する描画方法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）が提案され、研究が行われている。比較的簡略なシステムで、微細なパターンを形成可能であることが利点であるが、現状では描画速度が非常に遅く、実用化には到っていない。
【特許文献１】特開平５−５２５０７号公報
【特許文献２】特開２００２−１３９４１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しなしながら、従来例の構成の走査型顕微鏡においては、半導体製造工程中のプロセスウエハの検査に適用する場合、さらなる計測時間の短縮を達成する余地が残されている。
【００１６】
一般にウエハ上にデバイスを形成する場合、一枚のウエハ上に多数の同一のパターンを多数形成し、最終的には、それらを切り離して、デバイスに分割する。デバイスパターンのなかで、検査が必要なパターンの部分について計測を行う必要があるが、検査が必要なパターンは、ウエハ上のデバイス形成のレイアウトに従って、ウエハ全面に存在することになる。
【００１７】
複数のプローブを同一のスキャンステージに搭載した従来例では、ウエハ上に点在する検査パターンを順時移動して計測しなくてはならないため、ウエハを移動する回数が非常に多くなり、計測時間外に非常に長時間を要する。また、プローブを独立した移動手段に搭載した場合には、プローブ全体を移動するためにプローブ移動手段がウエハ全面を移動しなくてはならなくなる。ウエハ全面を複数のプローブが移動可能とするためには、複数のプローブと移動手段が機械的に干渉しないよう構成しなくてはならないが、これは実現が非常に困難である。まして生産工程中の半導体ウエハの計測に導入することは、ほとんど不可能である。
【００１８】
また、プローブを用いてパターンを描画する場合には、従来例の装置構成では、描画速度が小さく、実用化にはスループットの改善が必須である。
【００１９】
そこで、本発明の例示的な目的は、描画速度が速く、スループットの大きい走査型プローブ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての走査型プローブ顕微鏡は、複数のプローブがそれぞれ第一の移動手段に載置されているマルチプローブヘッドを有し、複数の該マルチプローブヘッドが第二の移動手段上に載置されており、被測定試料の保持手段は第三の移動手段を有することを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明の一側面としての描画装置は、プローブを基板に近接させパターンを描画する描画装置であって、複数のプローブがそれぞれ第一の移動手段に載置されているマルチプローブヘッドを有し、複数の該マルチプローブヘッドが第二の移動手段上に載置されており、前記基板を保持する基板保持手段は第三の移動手段を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００２３】
従来よりも、性能の良い走査型プローブ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
本発明の第一の実施形態を図１に示した。半導体製造プロセスウエハの計測を目的とした走査プローブ顕微鏡の概略図である。軸方向は、図中に示した通りであり、互いに直行する３軸をＸ、Ｙ、Ｚ軸とした。１は複数のプローブを配したマルチ走査プローブヘッドであり、１１はプローブである。マルチ走査プローブヘッド１は、装置上には四機搭載されているが、図中に二機のみ示してある。３は、ウエハであり、半導体製造工程中のものである。２は、ウエハ３の位置、姿勢を調整するためのウエハステージである。ウエハステージ２は、ウエハチャック２１、ウエハＺチルトステージ２２、ウエハＸステージ２３、ウエハＹステージ２４から構成されている。ウエハチャック２１は、不図示の真空排気系によりウエハ３を吸着保持する。ウエハＺチルトステージ２２は、ウエハ３をＺ方向と、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りにウエハを回転させることが出来る。ウエハＺチルトステージ２２は、ウエハＸステージ２３、ウエハＹステージ上に搭載され、ＸＹ平面上を移動可能となっている。ウエハステージ２は、定盤２５上に搭載されている。ウエハステージ２は、レーザー干渉計４１によって、ＸＹ位置、およびＸＹＺ軸まわりの回転位置を計測している。また、４３は、基準マーク台であって、表面に形状、寸法が分かっている参照パターンが配置されているものである。ウエハステージ２を駆動し、参照パターンそれぞれのプローブ位置に移動して、各プローブで計測を行って、プローブ間の計測値を比較することによって、プローブ間の計測誤差の補正を行う。
【００２６】
マルチ走査プローブヘッド１は、定盤２５にフレーム２７を介して装置上に搭載されている。装置全体は、除振装置２６を通して床に配置されている。
【００２７】
マルチ走査プローブヘッド１の構成を図２に示した。装置上には、同一のものが四機搭載されている。１１はプローブであり被測定面であるウエハ表面へ近接させて形状計測を行うものである。一つのヘッド内に複数のプローブを有している。図中には、四本のプローブを有する例を示したが、特に四本である必要は無い。１２は、カンチレバーであり、一方の端部には、プローブ１１が配してあり、一方はＺ微動機構１３に固定されている。Ｚ微動機構１３は、プローブ１１の先端をＺ方向に駆動するためのもので、プローブ、カンチレバー１本に対して一つのＺ微動機構が配されている。図では、Ｚ微動機構は、カンチレバー１２と別体で示してあるが、カンチレバーの一部を圧電素子等で形成し、電圧によってたわませる方法でもよい。四つのＺ微動機構１３は、Ｙ方向にプローブを駆動するためのＹ微動機構１４、Ｘ方向にプローブを駆動するためのＸ微動機構１５上に搭載されている。Ｘ微動機構１５、Ｙ微動機構１４は、それぞれマルチ走査プローブヘッドに対して一機のみ搭載されており、複数のプローブを一体でＸ方向、Ｙ方向へ駆動する。微動機構は、ウエハ表面を計測するときに実際にプローブを走査するためのもので、高い分解能と精度が要求される。そのため、ピエゾ素子と弾性ばね（いずれも不図示）によって構成されている。駆動範囲は、それぞれの軸方向に対して±５０μｍ程度である。
【００２８】
微動機構は、さらにＺ方向とＸ軸回りとＹ軸回りの回転方向に駆動を行うＺチルト機構１６、Ｙ軸方向に直線駆動を行うＹステージ１７、Ｘ方向に直線駆動を行うＸステージ１８からなる移動機構上に搭載されており、プローブ全体をＸ軸、Ｙ軸回りの回転方向と、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向へ移動可能としている。Ｚチルト機構１６は板ばねとアクチュエータから構成される。また、Ｘステージ１８、Ｙステージ１７は、直線ガイドとボールねじ駆動などで位置決めを行う高剛性のステージであり、位置決め精度は、０．１μｍ程度のものである。Ｙステージ１７、Ｘステージ１８により、プローブはより大きな範囲（例えば±５０ｍｍ）を移動可能となっている。図５にＺチルト機構１６とウエハＺチルトステージの役割を説明する図を示した。Ｚチルト機構１６は、プローブ先端を測定領域まで近づけるためにＺ方向を駆動し、複数のプローブの先端を結んだ線がウエハ表面と概略平行になるように、回転方向の駆動を行う。マルチ走査プローブヘッドが一機のみであれば、ウエハをＺチルト方向に駆動することよってもプローブ先端とウエハ表面を平行に姿勢調整することが可能であるが、離れた位置で複数のマルチ走査プローブヘッドを使用する場合は、ウエハ表面形状のうねりがあると平行に姿勢調整ができないため、プローブヘッドにＺチルト機構が必要となる。ウエハＺチルトステージ２２は、ウエハ全体のくさび型の厚さむらによって生じるウエハ表面の傾きを補正し、プローブ全体と概略平行になるように駆動される。
【００２９】
計測は、ＳＴＭ、ＡＦＭのどちらでもよい。ＳＴＭとして使用するときは、プローブにバイアス電圧を印加して、トンネル電流を計測する。また、ＡＦＭとして使用する場合は、不図示の計測系によってプローブの変位を検出する。
【００３０】
図３に四機のマルチ走査プローブヘッドの配置と計測範囲および移動方向を示した。マルチ走査プローブヘッドは、符号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４を付した合計四機が搭載されている。Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、それぞれのヘッドがＸＹ方向に移動し、計測が可能な領域を示している。３は、被測定物であるウエハであり、ウエハ３上の鎖線で示した矩形は、ウエハ上に作成途上、もしくは完成したデバイスパターンであり、リソグラフィーの露光ショットレイアウトに相当する。
【００３１】
図中のマルチ走査プローブヘッド（以下ヘッドと称する）Ｈ１、Ｈ３、Ｈ２、Ｈ４は、中心からＸ軸、Ｙ軸に対して、線対称の位置に配置されている。図中、中心と示した点は、四機のヘッドがそれぞれの可動範囲の中央に位置したときの、四機のヘッド中央であり、四機のヘッドの重心となる。
【００３２】
計測開始時からスキャン終了後まで、各ヘッドは、四機のヘッドの重心位置が変動しないように、スキャン（Ｘ微動機構１５およびＹ微動機構１４での駆動）及び計測位置の移動（Ｘステージ１８およびＹステージ１７による駆動）を行う。模式的にヘッドの移動の軌跡を図中の矢印付き鎖線で示した。計測時およびヘッド移動時にＸ方向に移動する場合は、ヘッドＨ１とヘッドＨ２はお互いに逆方向に、またヘッドＨ３とヘッドＨ４もお互いに逆方向に移動する。Ｙ方向に移動するときは、ヘッドＨ１とＨ３が逆方向へ、ヘッドＨ２とＨ４が逆方向へ移動する。このように移動することによって、移動に伴う重心の移動、加速度が打ち消され、特にヘッドをＸステージ１８、Ｙステージ１７が移動する際の振動が低減でき、より高速で移動が可能となり、全体の計測時間が短縮できる。
【００３３】
計測は、ヘッド内の微動機構の可動範囲をＸＹ方向に走査することで行う。可動範囲の計測を終えたら、Ｘステージ１８、Ｙステージ１７を駆動して隣の領域へ移動する。順時計測を行って、Ｘステージ１８、Ｙステージ１７の駆動範囲、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の計測が終了したら、次は、ウエハステージ２を駆動して、ウエハの隣の領域へ移動する。ウエハが移動した状態を図４に示した。この位置から順時計測範囲を走査していって、計測を行う。このとき、ヘッドＨ２には、計測する対象が存在しないが、対となるヘッドＨ３、Ｈ４が計測を行う際の移動時には、それぞれ逆方向へ移動することによって、振動の低減を図る。この例では、ウエハステージは、三回のみ移動することでウエハ表面全体を計測することが出来る。
【００３４】
それぞれのヘッドの駆動およびウエハステージの駆動およびプローブによる計測、ウエハステージの位置、姿勢の計測は、中央処理装置４０によって、制御される。計測された結果は、インターフェース部４４を介して、外部へ情報を出力することも可能であり、ディスプレイ上へ計測結果を表示することも可能である構成となっている。また、インターフェース部４４は、オンラインによって計測するウエハの情報（ショットレイアウト、計測範囲など）を装置へ取り込むためにも使用される。
【００３５】
以上示したように、複数のプローブを有したヘッドを用いて、同時に走査を行って、計測する手段と、ウエハ移動する手段を設けることによって、半導体製造工程中のプロセスウエハの全面を短時間で計測することが可能となる。結果として、実際の生産現場にインライン、インサイチュ計測が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することが出来る。
【実施例２】
【００３６】
第二の実施の形態を説明する。本発明を描画装置として利用する例である。スキャニングプローブリソグラフィー（ＳＰＬ）に適用した例である。ＳＰＬは、レジストを塗布したウエハにプローブを近接し、トンネル電流を流し、その電子によってレジストを感光し、パターンを形成するものである。装置構成は、図１に示した構成と同一である。
【００３７】
図６に描画時のヘッドの配置を示す。露光レイアウトに沿って、ヘッドを四機中心を通るＸ軸、Ｙ軸に平行な線に対して、線対称の位置に配置して固定する。そして、プローブをレジスト塗布したウエハ３表面に近接して、電圧を印加して、トンネル電流を電流値を制御しながらを流す。同時にウエハステージが走査し、レジスト面にパターンを描画していく。計測装置として使用する場合は、非常に細かな１ｎｍ以下の位置分解能を必要としたため、ヘッド上に搭載されたＸ微動機構１５とＹ微動機構１４を使用する必要があったが、描画装置として使用する場合は、その必要はなく、ウエハ側を走査すればよい。
【００３８】
露光が必要な位置では、プローブに電圧を印加してレジストを感光させ、露光が不要な位置では、電圧を０にする必要がある。描画するパターンによって、個々のプローブの制御が必要であるが、それぞれのヘッドは、同じパターンを描画するので、それぞれのヘッドの同じ位置に対応するプローブは、同じ様に電圧の印加を行えばよい。つまり、ヘッドの数を増やしても、プローブの数だけの制御チャンネルを用意すればよいので、システムが複雑になることはない。
【００３９】
なお、描画装置としての構成では、プローブは、物理的な細い針である必要はなく、レーザーなど光を細くスポット状に集光したものや、電子ビームでも同様な効果を得られる。
【００４０】
以上の実施例によれば、製造工程中の半導体ウエハの検査を効率よく、高速に行うことができ、従来の構成では、困難であった半導体ウエハの検査をインライン、インサイチュで行うことが可能となった。さらに、スキャニングプローブリソグラフィーを高速に行うことが可能となり、半導体デバイスの製造が可能となった。
【００４１】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態を説明する図である。
【図２】マルチ走査プローブヘッド１を説明する図である。
【図３】マルチプローブヘッドの配置等を説明する図である。
【図４】ウエハステージが移動した状態を説明する図である。
【図５】Ｚチルト機構の役割を説明する図である。
【図６】本発明を描画装置として使用する場合を説明する図である。
【図７】従来のＡＦＭ装置を説明する図である。
【図８】マルチプローブ化ＳＴＭ装置の従来例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  マルチ走査プローブヘッド
２  ウエハステージ
３  ウエハ
１１  プローブ
１２  カンチレバー
１３  Ｚ微動機構
１４  Ｙ微動機構
１５  Ｘ微動機構
１６  Ｚチルト機構
１７  Ｙステージ
１８  Ｘステージ
２１  ウエハチャック
２２  ウエハＺチルトステージ
２３  ウエハＸステージ
２４  ウエハＹステージ
２５  定盤
２６  除振装置
２７  フレーム
４０  中央処理装置
４１  レーザー干渉計
４２  レーザービーム
４３  基準マーク台
４４  インターフェース部
１０１  プローブ
１０２  カンチレバー
１０３  試料
１０４  スキャンステージ
１０５  レーザー
１０６  ディテクタ
２０１  プローブ
２０２  カンチレバーアレー
２０３  試料
２０４  スキャンステージ
２０５  スキャンステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005300177.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005300177.tif 000009
【図８】
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